殷亚东教授Angewandte Chemie：铜纳米棒的限域空间制备及光热驱动

luna1 5年前 (2019-05-17) 6393浏览

【前言】

相比于被广泛研究的金和银纳米材料，铜纳米结构也具有表面等离子体共振（SPR）吸收特性，但由于其带间跃迁与SPR吸收的重叠，使得其SPR吸收峰强度较弱。因此，尽管铜具体相对较高的地球丰度和较低的成本，但其在光学领域应用却有有限。理论研究表明，如果能够制备各向异性铜纳米结构，则可以实现其强SPR吸收。然而各向异性的铜纳米结构的合成异常困难。与Au3+和Ag+相比，Cu2+具有相对较低的还原电位，因而铜纳米晶的稳定性比较差。当利用晶种进行纳米晶生长时，晶体结构稳定性不高，容易发生氧化、刻蚀以及熟化等复杂且不可控的物理化学变化，最终破坏初始晶种的晶型结构。这种晶体结构的破坏使得产物的结构难以用传统的纳米晶体生长理论来设计和预测，导致制备铜纳米结构时效率和产率较低，控制性和重复性差。

【成果简介】

最近，加州大学河滨分校殷亚东教授领导的科研团队在国际知名期刊Angewandte Chemie 上发表了题为Space-Confined Seeded Growth of Cu Nanorods with Strong Surface Plasmon Resonance for Photothermal Actuation的文章。在这项工作中，研究团队先从理论上指出，如果将铜纳米结构制成棒状，可实现媲美于金和银的纳米结构的SPR吸收特性。然后，开发了一种限域空间内的种子生长方法来制备具有均一尺寸且形貌控制的铜纳米棒(CuNRs)，并进一步证明了其在近红外光谱中强的SPR吸收。为了降低传统合成过程中成核动力学的复杂性，本研究采用了小尺寸的纳米金粒子(AuNP)作为种子来诱导铜的各向异性生长，避免了铜的自成核。最后，基于其强SPR吸收和良好的光热转换性能，研究团队进一步展示了合成后的CuNRs在光热转换中的高效率和稳定性，并证明了它们可以用于制造纳米复合聚合物薄膜，该薄膜对近红外光具有刺激响应性，可构建光响应驱动器来控制微型机器人的运动。

【图文导读】

图1. 用FDTD模拟纳米结构的SPR吸收特性

a) 铜纳米球(d = 100 nm)在其共振波长(570 nm)处的电场分布。b) 铜纳米棒(250 100 nm)在其共振波长(750 nm)处的电场分布。c) 金、银、铜纳米结构的SPR消光谱。所有纳米球的直径为100 nm，所有纳米棒的尺寸都固定为250 100 nm。d) 不同长径比的CuNRs的SPR消光谱。所有纳米棒的直径都固定在100 nm。

图2. 中间产物和最终产物的形貌和光学性能表征

  1. a) FeOOH纳米棒，b) FeOOH/AuNP@RF纳米棒, c) AuNP修饰的RF纳米胶囊, d）CuNRs的TEM图片。e-f) CuNRs的高分辨TEM图像和选区电子衍射图。g) FeOOH纳米棒在PEI修饰和Au种子负载过程中的zeta电位变化。h) CuNRs的消光光谱。

 

图3：不同尺寸的CuNRs的形貌表征

a-c)不同尺寸比的TEM图像和(d)相应的紫外-可见-近红外光谱。标尺比为100 nm。

 

图4. 利用TEM观察聚合物胶囊中CuNRs的生长中间体

  1. a) 10 min, b) 20 min, c) 30 min, d) 40 min时CuNRs的TEM图片。 e) CuNRs的消光光谱。

 

图5. CuNRs的光热转换特性

  1. a) 近红外激光(980 nm)照射下，实时测量CuNRs溶液和纯水的温度。b) 近红外激光照射的CuNRs溶液光热成像图片。c) 五次循环后的溶液温度变化。d) 在激光的照射下CuNRs/PVA膜的形状记忆特性。e) 近红外激光触发复合膜的局域形状记忆性能。

 

图6. 基于CuNRs的bimorph的光激发形变特性

  1. a) Bimorph在光照和不光照条件下弯曲角度的变化。b) Bimorph的循环稳定性能。c)利用光控Bimorph的形变模拟机器手实现货物的搬运。d) 利用光控Bimorph的形变模拟蠕虫爬坡运动。

【结论】

综上所述，本研究在理论和实验上都证明了各向异性铜纳米结构可以在近红外光谱中表现出较强的SPR活性，从而为在实际应用中部分代替较为昂贵的金和银纳米结构提供了可能。通过一种独特的限域空间内种子生长法的策略，合成出高质量的CuNRs，并对其大小、形貌和SPR吸收波长进行了控制。该方法可通过简单地控制聚合物纳米胶囊的尺寸来精确地操控CuNRs的SPR吸收，从而使它满足光学应用中的广泛需求。此外，CuNRs还表现出优异的光热性能和热稳定性，进而将其与聚合物进行复合，构建出对光具有刺激响应的微型机器人。

文献链接

Space-Confined Seeded Growth of Cu Nanorods with Strong Surface Plasmon Resonance for Photothermal Actuation

团队成果

此外，该团队近年来在贵金属纳米材料合成领域取得了丰富的研究成果，设计限域空间合成贵金属纳米棒和表面等离子体共振耦合，并探讨所合成的材料在表面增强拉曼散射、光电催化、太阳能利用、生物分析等领域的应用，相关工作发表在JACS，Angew. Chem., Adv, Mater., Nano Lett., CHEM, Adv. Func. Mater., Chem. Sci.等刊物上。

 

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04157

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b02325

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c7sc02997g#!divAbstract

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929417303510

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja502890c

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja209647d

本文由材料人编辑luna编译供稿，材料牛整理编辑。

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